基于深度学习的大采高工作面矿压预测分析及模型泛化

综采工作面矿压显现的分析与预测对于复杂地质条件下工作面顶板管理,保证矿井生产安全具有重要意义。采用关系型数据库储存液压支架工作阻力数据以及利用工作面推进过程中矿压显现的时序特性,采用SQL语言,运用长短时记忆网络(Long Short Time Memory,LSTM)深度学习方法,以红庆河矿31101大采高综采工作面矿压规律为研究对象,对工作面支架工作阻力、支架不平衡力、支架安全阀开启情况及初次来压与周期来压等矿压显现规律进行分析;基于建立的数据库,预测了红庆河大采高工作面矿山压力,预测结果表明LSTM方法较BP神经网络预测更具准确性。为进一步讨论本研究采用的LSTM网络模型的泛化能力,在采用布尔台42103大采高工作面、上湾矿12401大采高工作面少量矿压数据的前提下,使用迁移学习方法,对矿压数据进行预测检验,结果表明:LSTM模型具有很好的泛化能力,相比于不使用迁移学习方法,迁移学习可提高模型的泛化能力。最后,探讨了模型在3个大采高工作面矿压预测表现的差别,发现数据量本身对模型预测行为影响较大,增大数据量可弥补原始数据缺失等问题。在预测模型基础上设计了周期来压预警模型,集成形成相应矿压分析与预警系统,经工程验证判定预警系统分析效果良好。     

开采扰动下断层面库仑应力及诱发矿震时空演化特征

为研究煤矿开采扰动下断层面库仑应力演化特征及诱发矿震时空分布规律，基于赵楼矿1303综放工作面生产地质条件，理论分析了断层面库仑应力影响因素，采用数值模拟及岩石力学试验方法，探讨了逆断层下盘工作面向断层开采过程中，断层面不同位置库仑应力变化规律，并分析了现场矿震监测数据时间统计特征及震源空间分布规律。结果表明:开采扰动因素σx，σy，τxy(等于τyx)，断层倾角θ及断层面摩擦因数μ综合决定了断层面库仑应力f，当开采扰动及断层摩擦因数确定时，取df/dθ=0可确定断层活化失稳最危险角；断层构造破坏了采动应力扰动圈的对称性及位移扰动圈的连续性；岩石力学试验及数值模拟结果均表明沿断层面岩层高位点先于低位点受到采动影响，且过断层前随断层与工作面距离减少，断层面活化失稳危险先升高后降低；工作面过断层前后，矿震日震动频次由20次/d上升至35次/d，而日震动平均能量由22 kJ下降至4 kJ，表明工作面过断层前高能量矿震较多，对围岩扰动剧烈，过断层后扰动较平缓；同时工作面过断层前后，断层面上矿震震源集中区由高层位岩层向低层位岩层转移。     

改进的Lippmann煤层平动突出模型

应用Hoek-Brown强度理论对Lippmann煤层平动突出模型进行了改进，综合考虑了强度、结构等因素对煤层平动突出的影响，研究了水平煤层从巷道两帮突出前临界状态下的应力分布规律.赵各庄矿的实例研究表明，改进后的Lippmann煤层平动突出模型适用于顶底板为岩石的煤巷或半煤岩巷煤层整体冲击的机理分析，为合理确定煤层突出范围度量指标以及煤层整体平动突出倾向性的判定提供了理论依据.     

冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究

介绍自行设计的多系统、同步监测试验机构，并对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验。利用系统所具有的红外热像、声发射、应变等监测方式，分析两种加载条件下，冲击倾向性煤体破坏过程的声、热效应及破坏前的异常信息特征。对比研究不同监测方式下，冲击倾向性煤体中同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度；获得冲击倾向性煤体的固有物理力学特性，并发现强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为0．9和0．7个荷载强度比，也说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。     

神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉强度与断裂韧度研究

为研究神东矿区不同赋存深度沉积岩抗拉及断裂性能,利用声发射监测系统对神东矿区不同赋存深度沉积岩样品巴西劈裂加载过程中的声发射参数进行监测,探讨了岩样抗拉强度、I型断裂韧度及两者比值k随赋存深度的变化规律;分析了劈裂破坏过程中损伤演化、破坏特征及前兆信息。结果表明:抗拉强度和断裂韧度随赋存深度增加而增大,且二者均与赋存深度呈幂函数关系,埋深-300 m以浅岩样的抗拉强度和断裂韧度分别在0. 5 MPa和0. 15 MPa·m1/2以下,而-300 m以深岩样则分别在1. 0 MPa和0. 15 MPa·m1/2以上;岩样抗拉强度与断裂韧度的比值k也随赋存深度的增加而增大,且与赋存深度呈对数函数关系,即埋深-300 m以浅岩样k值为2～3,-400 m左右k值为3～6,-500 m以下k值相对离散。同时,神东矿区不同赋存深度岩样破坏为张-剪混合型,张拉破坏贯穿整个破坏过程,但剪切破坏发生时间不同,即-300 m以浅岩样剪切破坏发生在峰后阶段,而-300 m以深岩样剪切破坏发生在峰前阶段;不同赋存深度岩样在峰值强度前均会出现破坏前兆点,-300 m以浅岩样(除中粗砂岩外)基本在应力峰值的70%～90%,而-300 m以深多在应力峰值的92%以上;可以看出沉积岩失稳预警时间随赋存深度增加而减少,且随深度增加其失稳破坏更加迅速且剧烈。     

逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。     

煤矿井下避难硐室系统设计的探讨

提出了建设由永久性避难硐室、临时避难硐室和移动式救生舱组成的相互独立却紧密结合井下避难硐室系统,辐射全部采矿活动区域以帮助井下遇险人员安全避险。提出了避难硐室系统设计的基本原则,并阐述了3种类型避难所在实际矿井条件下的布置原则和结构形式,煤炭企业的避难硐室建设具指导意义。     

承压水上开采工作面底板破坏规律相似模拟试验

 随着我国煤炭开采深度的增大,承压水上开采工作面底板破断、突水灾害正呈逐年递增的趋势。以峰峰矿区九龙矿深部承压水上开采工作面底板为研究对象,通过现场底板取芯、编录和室内试验,获得承压水上工作面底板含水层分布特征及底板岩层的力学参数,确保试验中现场参数的可靠性。采用自行设计的工作面底板水压模拟装置,进行承压水上工作面回采过程中顶、底板破断失稳特征的相似模拟试验,得到底板工作面回采过程中顶、底板应力变化规律。运用非接触的光学测量技术对全场位移值进行观测,得出底板位移场变化规律。通过“下三带”理论,计算九龙矿深部工作面底板岩层的最大破坏深度、承压水导升高度和有效隔水层厚度。模拟试验结果表明：九龙矿深部承压水上工作面开采底板存在明显的“三带”特征,采用新型的承压水模拟装置可以模拟承压水在采动作用下的卸压过程。     

深井岩巷高强高预紧力锚杆支护优化数值模拟

基于羊渠河矿区的地应力分布和各岩层的岩石力学性质,针对52回风上山,提出了新的高强高预紧力锚杆深部支护设计方案,通过数值模拟对比了新旧支护方案的支护效果。研究结果可为羊渠河矿区深部支护提供科学合理方案。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究

煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，极容易发生冲击地压。基于唐山矿孤岛工作面的地质条件和周期来压步距的监测结果，通过数值分析的方法，研究孤岛工作面煤岩体能量释放的动态特征，揭示工作面前方能量释放激增机制，对比普通工作面和孤岛工作面能量场的区别，介绍冲击地压预警防治措施。数值模拟结果显示，长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，此时工作面和顺槽巷道极易冲击失稳。由研究结果可知，孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增可做为判断冲击失稳的前兆信息之一。因此，微震监测等手段可以根据此结论预测潜在的矿山动力灾害。针对老顶周期性断裂时积聚能量的突然释放规律，运用强制放顶、超前卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破、煤层注水等技术可以提前释放煤层内积聚的弹性能，达到良好的冲击地压防治效果。